Question

【題目】早在春秋戰國時期，我國就開始生產和使用鐵器。工業煉鐵把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐，在高溫下，利用焦炭與氧氣反應生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來。

一氧化碳還原氧化鐵的化學方程式為： 。其中，石灰石起的作用是 。

（一）甲組同學在學習煉鐵的相關內容時，對煉鐵時還原劑的選擇進行了如下探究。

【提出問題】

單質碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學方程式為 。為什么工業上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？

【猜想與假設】

焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應不易完全。

【進行實驗】

①稱取兩份相同質量的氧化鐵粉末。一份與足量的碳粉均勻混合放入圖1裝置A的試管中；另一份放入圖1裝置B的玻璃管中。

②圖1裝置A和B兩組實驗同時開始進行。在圖1裝置B的反應中，實驗開始前應先 （選填“通CO”或“加熱”）； 實驗結束后應繼續通入CO直至冷卻至室溫，其原因是 。

【實驗現象】

當圖1裝置B的玻璃管中固體完全由 時（選填“紅色變為黑色”或“黑色變為紅色”），圖1裝置A的試管中仍有 。

【解釋與結論】

焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應確實不易完全，這可能是工業上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因。

【完善實驗】

聯想到單質碳的一些化學性質，甲同學認為在碳還原氧化鐵的反應中可能還會有CO產生。為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO2，將該氣體通過圖2的檢驗裝置。圖2A裝置中的試劑是（寫名稱，下同） ，圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；證明原混合氣體中CO2存在的化學方程式 ；證明原混合氣體中CO存在的實驗現象是 ；經過檢驗，證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有CO和CO2。

（二）精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進行下列研究：

【物質制備】

利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下：

粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe3C雜質，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應方程式為

FexOy+yH2xFe+yH2O，Fe3C+2H23Fe+CH4。

【含量測定】

為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質量分數，按圖裝置進行實驗。

已知3CH4+4Fe2O33CO2+6H2O+8Fe（假設每步反應都完全，且不考慮裝置內原有空氣對測定結果的影響）。

（1）主要實驗步驟如下：

①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，稱量樣品和必要裝置的質量；

②緩緩通入純凈干燥的H2；

③點燃酒精燈， （填“先點A處，后點C處”或“先點C處，后點A處”）；

④分別熄滅A處、C處酒精燈；

⑤再緩緩通入少量H2；

⑥再次稱量必要裝置的質量

（2）步驟②的目的是 ，驗證該步驟目的達到的實驗方法是 ；

（3）若缺少裝置D，則所測氧元素的質量分數將 （填“偏大”，“偏小”或“不變”）。

（4）粗還原鐵粉樣品的質量為15.000g，裝置B、E分別增重0.270g和0.330g，則計算樣品出中碳、氧元素的質量分數分別是 。（列出計算過程，2分）

Answer 1

【答案】3CO+Fe2O32Fe+3CO2；將礦石中的二氧化硅等雜質轉變為爐渣而除去的。

（一）【提出問題】3C+2Fe2O3高溫4Fe+3CO2↑

【進行實驗】②通CO；防止液體倒吸進入硬質粗玻璃管，造成炸裂且防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化。

【實驗現象】紅色變為黑色；紅色物質。

【完善實驗】澄清石灰水；Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O；黑色粉末變成紅色。

（二）（1）③先點C處，后點A處。（2）排盡空氣，防止爆炸；收集尾氣，進行驗純。

（3）不變（4）w（C）=0.6%；w（O）=1.6%。

【解析】

試題分析∶根據所學知識和題中信息知，工業煉鐵把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐，在高溫下，利用焦炭與氧氣反應生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來。一氧化碳還原氧化鐵的化學方程式為：3CO+Fe2O3高溫2Fe+3CO2；其中，石灰石起的作用是將礦石中的二氧化硅等雜質轉變為爐渣而除去的。（一）甲組同學在學習煉鐵的相關內容時，對煉鐵時還原劑的選擇進行了如下探究。【提出問題】單質碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學方程式為3C+2Fe2O3高溫4Fe+3CO2↑。為什么工業上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？【猜想與假設】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應不易完全。【進行實驗】①稱取兩份相同質量的氧化鐵粉末。一份與足量的碳粉均勻混合放入圖1裝置A的試管中；另一份放入圖1裝置B的玻璃管中。②圖1裝置A和B兩組實驗同時開始進行。在圖1裝置B的反應中，實驗開始前應先通CO；實驗結束后應繼續通入CO直至冷卻至室溫，其原因是防止液體倒吸進入硬質粗玻璃管，造成炸裂且防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化。【實驗現象】當圖1裝置B的玻璃管中固體完全由紅色變為黑色時；圖1裝置A的試管中仍有紅色物質。【解釋與結論】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應確實不易完全，這可能是工業上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因。【完善實驗】甲同學認為在碳還原氧化鐵的反應中可能還會有CO產生。為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO2，將該氣體通過圖2的檢驗裝置。圖2A裝置中的試劑是澄清石灰水；圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；證明原混合氣體中CO2存在的化學方程式是Ca（OH﹚2+CO2=CaCO3↓+H2O；證明原混合氣體中CO存在的實驗現象是黑色粉末變成紅色。經過檢驗，證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有CO和CO2。（二）精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進行下列研究：【物質制備】利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下：粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe3C雜質，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應方程式為FexOy+yH2高溫xFe+yH2O，Fe3C+2H2高溫3Fe+CH4。【含量測定】為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質量分數，按圖裝置進行實驗。已知3CH4+4Fe2O3高溫3CO2+6H2O+8Fe（1）主要實驗步驟如下：①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，稱量樣品和必要裝置的質量；②緩緩通入純凈干燥的H2；③點燃酒精燈，先點C處，后點A處。④分別熄滅A處、C處酒精燈；⑤再緩緩通入少量H2；⑥再次稱量必要裝置的質量。（2）步驟②的目的是排盡空氣，防止爆炸；驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣，進行驗純。（3）若缺少裝置D，則所測氧元素的質量分數將不變。（4）粗還原鐵粉樣品的質量為15.000g，裝置B、E分別增重0.270g和0.330g，則計算樣品出中碳、氧元素的質量分數分別是∶0.330g×﹙12／44×100％﹚／15.0g×100％＝0.6%；0.270g×﹙16／18×100％﹚／15.0g×100％＝1.6%。

考點∶考查實驗探究的基本思路和方法。